◎中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院 劉驕劍 石倩

國防先進設計技術是高性能武器裝備研制的重要手段，隨著新一代信息技術與產品研發(fā)過程的深度融合，模型化、虛擬化、智能化的先進設計方法和工具日益得到國外先進軍工企業(yè)和機構的高度重視，并在武器裝備研制過程中得到深入應用。中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院近十余年來持續(xù)跟蹤國外國防先進設計技術發(fā)展，對國外相關做法和典型案例的研究分析為我國裝備研制提供重要參考。

國防先進設計技術是國防先進工業(yè)技術的重要方向，是以信息技術為代表的高新技術與傳統(tǒng)設計技術的有機融合，得到國外軍工強國的高度重視。近年來，國外先進軍工企業(yè)和機構不斷拓展和深化基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）、數(shù)字線索、數(shù)字孿生、虛擬/增強現(xiàn)實等在武器裝備研發(fā)過程中的應用，積極推進機器學習、人工智能等新一代信息技術與產品研發(fā)過程的深度融合，推動軍工產品先進設計技術加速向數(shù)字化、智能化趨勢發(fā)展。

一、戰(zhàn)略層積極推動構建以模型和數(shù)據為核心的產品研發(fā)模式

美國國防部、“數(shù)字制造與設計創(chuàng)新機構”（DMDII）等在戰(zhàn)略層面積極推動將現(xiàn)有采辦流程和工程活動優(yōu)化改進為基于模型、由數(shù)據驅動的研發(fā)模式，有效提升產品研發(fā)效率，降低風險。

（一）重視產品研發(fā)早期基于模型系統(tǒng)工程方法的應用

國際系統(tǒng)工程學會在《系統(tǒng)工程愿景2025》中指出，MBSE 是用模型化的方法來支持產品的設計、分析、驗證、確認等活動，模型從概念設計階段開始，持續(xù)貫穿到設計開發(fā)以及所有的壽命周期階段，MBSE方法對確保產品數(shù)據的準確性、一致性和可追溯性具有重要作用。美國政府和研究機構非常重視在產品研發(fā)早期MBSE 方法的應用。2016 年4 月，美國航天工業(yè)協(xié)會發(fā)布了MBSE 應用白皮書《在早期需求階段基于模型的系統(tǒng)工程協(xié)同使全生命周期受益》，白皮書指出，政府和工業(yè)界基于模型的系統(tǒng)工程應用正在快速增長，但是MBSE 方法的標準化、模型和數(shù)據交換、知識產權等方面仍是制約其廣泛應用的主要因素，MBSE 方法在早期概念階段的應用將使它的效能最大化，并將延伸到后期開發(fā)、部署和維保等階段。2016 年11 月，美國政府問責辦公室（GAO）發(fā)布了《武器系統(tǒng)需求：產品研制之前的詳細系統(tǒng)工程確保項目成功》的報告。報告強調系統(tǒng)工程在項目早期定義和需求分析中的重要性，從而降低項目執(zhí)行中的風險，而基于模型的系統(tǒng)工程方法是實現(xiàn)這一目標的重要途徑。以上報告充分說明在產品研發(fā)早期MBSE 方法的應用已經成為多方共識，將進一步推動該方法的研究和深入應用。

（二）美國“數(shù)字制造與設計創(chuàng)新機構”提出構建從設計到制造無縫貫通的“數(shù)字線索”

美國“數(shù)字制造與設計創(chuàng)新機構”自成立以來發(fā)布了一系列項目需求，積極推進數(shù)字化技術在制造企業(yè)中的深化應用。2016 年，在上一年提出的“實現(xiàn)基于模型的定義”，尋求進行零件信息、屬性信息、制造和裝配信息定義的工具基礎上，進一步強調面向制造的設計，提出“構建從設計到制造無縫的工作流”項目，通過研發(fā)設計平臺，可以無縫地完成零件設計、零件可制造性的檢測，并能實時地生成加工軌跡，顯著地減少研制過程人工輸入參數(shù)和對個體知識的依賴，從而支撐構建無縫的、貫穿整個產品生命周期的“數(shù)字線索”。

（三）美國國防部發(fā)布《數(shù)字工程戰(zhàn)略》推動構建以模型和數(shù)據為核心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)

2018 年7月5 日，美國防部正式發(fā)布新版《數(shù)字工程戰(zhàn)略》。數(shù)字工程戰(zhàn)略旨在推進數(shù)字工程轉型，將國防部以往線性、以文檔為中心的采辦流程轉變?yōu)閯討B(tài)、以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，使國防部逐步形成以模型和數(shù)據為核心的工作方式。數(shù)字工程是一種集成的數(shù)字化方法，使用系統(tǒng)的權威模型源和數(shù)據源，以在系統(tǒng)生命周期內可跨學科、跨領域連續(xù)傳遞的模型和數(shù)據，支撐系統(tǒng)從概念研發(fā)到報廢處置的所有活動?！稊?shù)字工程戰(zhàn)略》提出五大戰(zhàn)略目標和重點領域，強調利用模型對所涉及系統(tǒng)進行持續(xù)、全面、端到端的數(shù)字化表達，確保模型在系統(tǒng)生命周期中連續(xù)傳遞，支撐分析和決策，并且提出將交流的主要方式從文檔轉換到數(shù)字模型和數(shù)據，使信息能從一個公共的數(shù)字模型和數(shù)據集中被訪問、管理、分析、使用和分發(fā)[1]。

二、復雜系統(tǒng)模型化、數(shù)字化研發(fā)不斷拓展和深化

美、法等國深入推進基于模型的系統(tǒng)工程研究與實踐，數(shù)字孿生、數(shù)字線索等技術在美、俄等軍工企業(yè)得到深入應用，有效提升設計驗證和決策水平。

（一）利用基于模型的系統(tǒng)工程方法提高產品研發(fā)效率，降低風險

2018 年5 月，美國軌道科學公司（Orbital ATK）“天鵝號”（Cygnus）宇宙飛船第九次執(zhí)行前往國際空間站（ISS）運送補給的任務。Orbital ATK 公司利用ModelCenter 進行多學科分析，優(yōu)化推進劑的利用率、驗證“天鵝號”飛行器的推進載荷，并通過基于模型的系統(tǒng)工程方法集成分析模型，進行設計空間探索，自動化執(zhí)行復雜的分析，從而形成穩(wěn)健的分析結果。

空客公司在A350飛機的開發(fā)中全面采用MBSE，在飛機研制中逐層細化需求并進行功能分析和設計綜合，不僅實現(xiàn)了頂層系統(tǒng)需求分解與確認，也實現(xiàn)了向供應商、分包商的需求分配和管理。另外，通過建立模型來描述系統(tǒng)或者功能的功能架構和邏輯架構，這些模型基于圖形格式，描述系統(tǒng)行為以及系統(tǒng)間的相互影響。該方法將過去采用大量文件來描述的需求、功能和架構，轉化為以標準的建模語言表達的系統(tǒng)靜態(tài)的參數(shù)、架構和接口，以及系統(tǒng)的動態(tài)行為，包括用例、功能、時序和狀態(tài)等。通過MBSE 的使用，空客在研發(fā)設計的早期就得以對全機通電試驗進行模擬，并建立了全機熱環(huán)境模擬模型，并將其與供應商進行共享以便于其系統(tǒng)設計的改進。事實證明，利用全機的MBSE 模型，可以對問題做出更好的及早的預測，并且更有預見性地準備試驗[2]。2018 年10 月，空客公司與佐治亞技術學院正式開設基于模型的系統(tǒng)工程飛機總體設計（OAD）空客/佐治亞技術中心。該中心基于團隊利用MBSE、交互式參數(shù)設計空間探索和數(shù)字化技術的優(yōu)勢，實現(xiàn)飛機總體并行設計過程的開發(fā)與驗證?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程已成為推動飛機綜合和多學科設計目標實現(xiàn)的基礎，工業(yè)界的實踐經驗和前沿研究正在逐步融合。

波音公司計劃于2020 年啟動“新中型客機”（NMA）項目，作為在B787 之后第一款全新設計的飛機，波音將采用基于模型的系統(tǒng)工程和先進管理平臺改善研發(fā)流程，對NMA 的設計、生產和試驗等各個環(huán)節(jié)進行深入而全面的分析。同時，波音將吸取B787 研制過程中的經驗教訓，率先在NMA 項目上引入數(shù)字孿生和數(shù)字線索技術，將使飛機的研制流程得到巨大改進，預計能使研制周期縮短25%。

（二）數(shù)字線索提升研制過程協(xié)同和全生命周期數(shù)據集成管理能力

數(shù)字線索（d igital thread）旨在通過先進建模與仿真工具建立一種技術流程，提供訪問、綜合、分析系統(tǒng)生命周期各階段數(shù)據的能力。美國國防部開發(fā)了飛行器計算研究工程采辦工具環(huán)境（CREATE-AV），通過數(shù)字線索導入其中的飛行系統(tǒng)模型架構，可構建支持氣動、動態(tài)穩(wěn)定性、控制以及結構仿真的高逼真物理特性模型，高效執(zhí)行分析優(yōu)化，支撐航空裝備概念設計。諾格公司在F-35 機身生產中，采用數(shù)字線索技術，其特點是“全部元素建模定義、全部數(shù)據采集分析、全部決策仿真評估”，能夠量化并減少系統(tǒng)壽命周期中的不確定性，實現(xiàn)需求的自動跟蹤、設計的快速迭代、生產的穩(wěn)定控制和維護的實時管理[3]。

GE 和空客公司都選擇了達索系統(tǒng)公司的3DEXPEREINCE 平臺用于增強本公司的數(shù)字線索能力，該平臺提供從設計到產品運行全過程的數(shù)字化協(xié)同環(huán)境，使數(shù)字設計、制造和服務（DDMS）在所有部門和產品線范圍內實現(xiàn)統(tǒng)一管理，從而優(yōu)化產品性能、提升客戶體驗。DDMS 為新產品設計、運營績效、支持和維護、客戶滿意度和新業(yè)務模式的突破鋪平了道路，因為它代表了企業(yè)從串行向并行開發(fā)流程模式的轉變，將使產品開發(fā)周期大幅縮短。

（三）數(shù)字孿生通過全息映射實現(xiàn)研發(fā)過程優(yōu)化分析

數(shù)字孿生綜合利用人工智能、機器學習技術及傳感器數(shù)據，創(chuàng)建一個虛擬空間的全息映射模型，對實體對象或過程的屬性、狀態(tài)、運動等進行準確鏡像，近無損地反映對象的全壽命周期過程，從而實現(xiàn)優(yōu)化分析，產生新的模型指導設計和運行。

2018 年10 月，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機制造集團（O DK）和薩拉夫工程中心在發(fā)動機制造數(shù)字化領域展開合作，研究和優(yōu)化發(fā)動機及其零部件的“數(shù)字孿生”。數(shù)字孿生體是高度符合實際材料、結構和物理過程的數(shù)字化數(shù)學模型。該技術的應用不僅可以極大地縮短研制周期，而且能夠降低全壽命周期成本，提高產品的技術和使用性能。ODK 和薩拉夫工程中心的合作包括建立“數(shù)字孿生”數(shù)學模型，開展計算工作，完成虛擬試驗，初始和計算數(shù)據信息交換，合作分析校對結果等。聯(lián)合工作的成果將用于ODK 在航空發(fā)動機制造領域關鍵項目的研制工作，包括PD-14、PD-35、PS-90A、TV7-117 系列等[4]。

2019 年，美國海軍制定“數(shù)字孿生計劃”，計劃創(chuàng)建組件、設備、系統(tǒng)的數(shù)字副本，用于在實驗室或其他條件下，測試安裝到艦船或飛機上的新部件以及作戰(zhàn)概念。利用數(shù)字孿生副本，研究人員可以開展大量不同的測試，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，改進組件、設備、系統(tǒng)的性能。洛克希德·馬丁公司為宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)開發(fā)了數(shù)字孿生的數(shù)字副本，美國海軍已經開始在艦上虛擬實驗室（VLOS）中使用數(shù)字孿生，并且希望將數(shù)字孿生技術擴展到聲納組件等傳統(tǒng)系統(tǒng)中，并利用數(shù)字孿生技術在艦船上開展各種軟件、算法的同步測試，這種測試不影響艦船的正常工作，無需等待艦船進入停航期進行。

三、虛擬/增強現(xiàn)實技術應用推動產品研發(fā)降本增效

利用虛擬/增強現(xiàn)實技術能夠在虛擬的數(shù)字空間內或將虛擬對象與真實場景融為一體開展復雜的產品設計工作，可提高研發(fā)過程協(xié)同性、可視性和靈活性，已成為進行產品設計優(yōu)化和驗證，提高復雜產品研制效率的重要手段。近年來，虛擬/增強現(xiàn)實技術在美、俄大型復雜裝備設計制造、維護保障等應用領域不斷取得突破，實現(xiàn)降本增效。

（一）利用虛擬現(xiàn)實技術開展復雜結構設計，提升航天器研制效率

2017 年4 月，俄羅斯“能源”火箭航天集團公司建立的俄首個航天飛船與模塊艙虛擬設計中心正式啟動運行。該中心2016 年10 月開始籌建，利用先進的虛擬現(xiàn)實（VR）技術，使設計人員通過佩戴VR 設備“進入”飛船或模塊艙內部，在虛擬的數(shù)字空間內開展特殊或復雜結構設計工作。該中心能模擬多種任務的解決方案，如模塊艙內復雜機載設備的集成、大量設備連接線纜的鋪設任務等，并能迅速將解決方案轉化為設計文件[5]。該中心目前配備3 個圖形工作站、3D 投影儀及屏幕、VR 頭戴顯示設備和15 幅3D 眼鏡，可同時容納16 名專家進入其中工作。該中心的投入使用將加速俄新型火箭航天裝備的建造進程，在降低人工成本的同時保證裝備質量，未來該公司新型航天飛船和模塊艙都將借助該中心開展設計研制工作。

（二）虛擬現(xiàn)實技術應用于設計評估，發(fā)現(xiàn)潛在設計問題

2016 年5 月，美國國家航空航天局（NASA）宣布已利用微軟開發(fā)的頭戴式混合現(xiàn)實裝置“全息眼鏡”（HoloLens）開展“火星虛擬漫步”等活動，目前正在探索其在“火星2020”巡視探測器設計中的應用潛力。此前NASA 已針對太空探索和教育研發(fā)了多種“全息眼鏡”應用，如NASA 噴氣推進實驗室（J PL）“原型太空”（P rotoSpace）應用可將計算機仿真圖像投射到工程師視場中，幫助在“火星2020”巡視器設計過程中評估各儀器組件的組裝情況，并與真實硬件進行對比研究，從而在巡視器真正組裝之前解決潛在的設計沖突[6]。虛擬現(xiàn)實工具應用的最大優(yōu)勢是能幫助工程師從虛擬影像中獲取航天器尺寸、形狀和配置。NASA 目前還在研究一種“視線范圍”（OnSight）應用，計劃利用“全息眼鏡”規(guī)劃“好奇”火星巡視器行進路徑，開展“目標：火星”混合現(xiàn)實之旅。

雷聲公司目前在應用的兩個大尺寸虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)被稱作沉浸式設計中心（IDC），每個IDC 都采用了最新的全自動虛擬環(huán)境（CAVETM）技術。在IDC CAVE 中，可以同時有超過20 名成員對模型、仿真結果、數(shù)據包等進行評審。通過這種新型協(xié)同工作方式，可對產品生命周期內幾乎所有的問題進行評估、確定，并創(chuàng)建相應解決方案。采用三維可視化技術，研究人員無需掌握技術圖紙以及其他一些技術規(guī)范，而且可以通過通用可視化語言進行交流，使每個團隊成員都能平等的進行研討。隨著雷聲公司持續(xù)推動基于模型的定義（MBD）實踐，沉浸式虛擬環(huán)境的作用也將持續(xù)擴大，能夠使團隊成員更好地權衡CAD 模型的價值。通過工程師、操作者、供應商、用戶沉浸在虛擬環(huán)境中，雷聲公司能夠更好地提高團隊協(xié)作、信息獲取，盡早生成通用虛擬樣機，推動產品創(chuàng)新，加速產品上市時間。

（三）利用虛擬現(xiàn)實設備進行演示驗證，提高系統(tǒng)開發(fā)效率

BAE 系統(tǒng)公司利用頭戴式虛擬現(xiàn)實顯示設備設計和測試新零部件，消除了制造測試組件的緩慢和昂貴的過程，從而能夠減少設計迭代，加快新零部件的設計過程。BAE 系統(tǒng)公司研究人員表示，以往每次想升級車輛或甚至只是設計一個簡單的新零部件，都很難預測它是如何工作的，以及是否會影響用戶體驗，而且一旦需要制作零部件并把它安裝在車輛上進行觀察和測試，就會經過數(shù)小時至數(shù)周的時間。而在虛擬現(xiàn)實場景中將一個新零部件安裝到車輛，就可以清楚地看到其工作過程，而且研究人員可以虛擬成為一名車內乘員，可以實時進入到虛擬場景“觸摸”到車，從而全面觀察該零部件對車輛性能的影響。BAE 系統(tǒng)公司還在VR 環(huán)境下與士兵合作對改動進行測試，并借助他們的反饋意見，對設計進行實時改進[6]。

四、機器學習與人工智能應用加速復雜系統(tǒng)設計優(yōu)化

2019 年2 月，美國總統(tǒng)特朗普簽署行政令并啟動《美國人工智能計劃》，從國家層面確保人工智能的領先地位。緊隨其后，美國國防部發(fā)布《2018 國防部人工智能戰(zhàn)略》，以推動人工智能軍事應用，應對競爭對手在相關領域的快速發(fā)展，保持美國的戰(zhàn)略優(yōu)勢。目前，國外先進軍工企業(yè)和機構紛紛將機器學習和人工智能技術應用于裝備設計中，通過大數(shù)據技術和智能算法，掌握研發(fā)過程中隱含的規(guī)律，并通過設計知識和規(guī)律形成優(yōu)化的設計方案，為裝備設計提供支撐。

（一）運用機器學習優(yōu)化產品設計過程，擴展設計空間

2017 年11 月，美國聯(lián)合技術研究中心（UTRC）和美國聯(lián)合技術公司（UTC）開發(fā)了一個名為Discover的設計框架，Discover 的目標是將機器學習帶入設計過程中，從而快速地生成更為優(yōu)化的系統(tǒng)。設計師們通常根據以往的設計經驗加以改進，尋找部分參數(shù)優(yōu)化的設計方案，但只能探索有限的設計空間。隨著系統(tǒng)越來越多功能化和復雜化，工程師使用傳統(tǒng)的方法來進行優(yōu)化設計變得越來越困難。Discover 使用基于物理模型的設計方法，確保設計出的構型可以在數(shù)學上被證明是正確的，通過智能推理能夠全面搜索設計空間，以識別所有可行的選項，最后通過機器學習評估最終設計方案的可行性和合理性[7]。由于引入機器學習算法進行訓練，所以很快就會得到比傳統(tǒng)設計更加優(yōu)越的結果。Discover 使設計流程通用化，工程師不必是專家，也能得到更好的低風險設計。過去需要3 個月完成的計算，可以縮短為10 天左右，極大縮短了設計周期。

2019 年4 月，美國通用電力（GE）公司宣稱已將機器學習技術用于噴氣發(fā)動機和渦輪發(fā)動機的設計研發(fā)，可減少一半的設計流程，有助于加速下一代產品研發(fā)。在確定柴油發(fā)動機活塞頂部最佳形狀時，GE 公司研究人員采用神經網絡技術對約100 個計算流體動力學近似模型進行訓練，僅15 分鐘就評估了一百萬種設計變更，而采用傳統(tǒng)計算機仿真方法需要2 天時間。新的設計結構還使得柴油機燃油效率提高7%，煙塵排放顯著降低。

（二）采用智能生成式設計實現(xiàn)最優(yōu)設計方案

生成式設計是一種拓撲優(yōu)化技術，它允許設計人員指定材料、載荷、約束條件和目標重量，然后由軟件自動計算得到幾何模型。3D 打印軟件APWorks 和計算機輔助設計軟件Autodesk 使用生成設計方法設計了一個“仿生”A320 機艙分區(qū)，比現(xiàn)有組件輕45%。隔框的設計采用基于黏菌增長模式的算法，它創(chuàng)建了一個高效和冗余的復雜的二維網絡?？蚣軆鹊慕Y構使用了一種基于哺乳動物骨骼的算法，在壓力點加密，在非壓力點較輕。該機艙部件由100 多個3D 打印的金屬零件組裝而成，于2018 年開始安裝到新的空客A320上[7]。生成式設計算法簡化了復雜參數(shù)模型的優(yōu)化設計流程，高保真仿真技術為設計提供了更加真實的模擬環(huán)境，使得設計者能更準確地將物理原理融入到產品設計中。智能化的優(yōu)化設計方法往往會產生結構復雜的設計結果，而3D 打印技術有效解決了復雜結構的生產制造問題?；谟嬎阒悄芎蜋C器學習的優(yōu)化設計技術，有望為航空航天產品從設計到制造的各個階段帶來變革。

（三）研發(fā)人工智能設計工具，加速產品設計

2019 年6 月，ANSYS 與空客公司建立了新的合作伙伴關系，致力于開發(fā)一套新型人工智能設計工具，為歐洲“未來空戰(zhàn)系統(tǒng)”（FCAS）創(chuàng)建嵌入式飛行控制軟件。嵌入式飛行控制軟件內部的人工智能算法將為無人機提供新的機動性，不僅可以獨自飛行，還可以安全地與戰(zhàn)斗機協(xié)同編隊飛行。

2019 年8 月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）宣布啟動“信息物理系統(tǒng)（CPS）共生設計”項目[8]。該項目將探索基于模型的設計與機器推理、機器學習相融合，開發(fā)一套核心的人工智能（AI）工具，加速軍用CPS 的研發(fā)設計過程。項目基于AI 打造“AI 協(xié)同設計師”，可以從過去的成功設計和設計語料庫中學習，并基于設計問題的明確和潛在規(guī)范，提出了一套改進的替代方案，為所考慮的設計問題構建多域設計空間。AI 協(xié)同設計師在人類設計師的幫助下，進行設計空間的評估和探索，而人類設計師為設計空間的細化和導航提供策略，通過人機高效合作，解決復雜設計問題。

五、結束語

國防先進設計技術是高性能武器裝備研制的重要保障，對提升產品研制能力和國防科技核心競爭力具有重要意義。在新一代信息技術的融合促進下，模型化、虛擬化、智能化等先進設計理念日益得到國外先進軍工企業(yè)和機構的高度重視，并逐步融入到武器裝備研制過程中，將推動武器裝備設計模式發(fā)生深刻變革。